I VCSEL permettono di integrare la tecnologia LiDAR negli iPhone Apple. E voi cosa potete fare?

Il dibattito sulla fattibilità economica e tecnica della tecnologia LiDAR (imaging, rilevamento e telemetria mediante luce) è stato lungo e spesso improntato al pessimismo. Ma sembra che LiDAR abbia vinto. General Motors ha recentemente annunciato che per il prossimo anno il LiDAR sarà montato su nove delle sue auto dotate di sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Apple ha già previsto il LiDAR nell'iPhone 12 Pro, nell'iPhone 12 Pro Max e nell'iPad Pro utilizzando la tecnologia VCSEL (laser a cavità verticale a emissione superficiale). Si prevede che l'aggiunta del LiDAR ai dispositivi mobili darà una svolta all'applicazione di questa tecnologia. Se non vi siete ancora interessati ai segreti del LiDAR, questo è il momento giusto.

Il LiDAR dell'iPhone permette il rilevamento della profondità degli oggetti a distanze fino a 5 metri ed è progettato per lavorare in tandem con la fotocamera e i sensori di movimento per creare e manipolare ambienti di realtà aumentata (AR) (Figura 1). La nuova unità di elaborazione grafica (GPU) A12Z Bionic a otto core e gli algoritmi di visione artificiale sono progettati per la modellazione 3D e l'app ARKit AR esistente conta ora su un'ulteriore API Scene Geometry per integrare i dati del LiDAR con quelli della fotocamera e del sensore di movimento. I dati del LiDAR sono anche integrati nell'app Measure, fornendo la possibilità di misurare gli oggetti più rapidamente e con maggiore granularità.

Figura 1: Il sensore LiDAR su questo iPhone Apple è il piccolo cerchio nell'angolo in basso a destra dell'area nera, insieme alle due fotocamere (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Apple)

Con la funzione AR Spaces nell'app Clips 3.1 di Apple, gli utenti possono registrare video, integrare le informazioni del LiDAR e creare scene AR coinvolgenti con illuminazione dinamica, oggetti che cadono e altri effetti speciali (Figura 2).

Figura 2: La funzione AR Spaces nell'app Clips 3.1 di Apple permette la creazione di video clip in realtà aumentata. (Immagine per gentile concessione di Apple)

Dopo un breve confronto tra le tecnologie VCSEL e LiDAR con laser EEL (laser a emissione laterale), insieme a una panoramica dei concetti di tempo di volo (ToF) e nuvola di punti del LiDAR, daremo un'occhiata al modulo LiDAR TMF8801 di ams/OSRAM e al telemetro LiDAR Gravity VL53L0X SEN0245 di DFRobot per la scheda di controllo Arduino UNO x1.

VCSEL ed EEL a confronto

I VCSEL, come quelli usati da Apple, sono diversi dagli EEL comunemente usati nei sistemi LiDAR automotive e industriali. I VCSEL sono ottimizzati per applicazioni a basso consumo e a corto raggio, dove offrono diversi vantaggi:

• Maggiore affidabilità poiché un array VCSEL è composto da 50 fino a 10.000 singoli emettitori, riducendo così notevolmente l'impatto di un guasto di un singolo emettitore rispetto agli EEL con uno o quattro emettitori.
• Un miglior rapporto segnale/rumore (SNR) come risultato di un filtraggio più efficace sul ricevitore, grazie a una larghezza di banda con lunghezza d'onda più stretta rispetto alla temperatura.
• Integrazione del sistema più semplice poiché i VCSEL emettono fasci cilindrici verticali.

ToF e nuvole di punti

Il LiDAR si basa su misurazioni ToF. Una serie di impulsi laser vengono diretti verso un oggetto e il tempo di ritorno è misurato da un fotosensore integrato (Figura 3). Il ToF misura il tempo di volo di andata e ritorno degli impulsi laser, quindi la distanza dall'oggetto è proporzionale alla metà del ToF moltiplicato per la velocità della luce, che, in aria, è di circa 30 cm/ns. I sistemi VCSEL, come quello utilizzato negli iPhone, possono misurare distanze fino a diversi metri con grande precisione.

Figura 3: Le misurazioni ToF si basano sulla misurazione del tempo che impiega un impulso laser per riflettersi su un bersaglio e tornare al sensore del LiDAR. (Immagine per gentile concessione di DFRobot)

Una nuvola di punti consiste in migliaia o milioni di misurazioni ToF. Utilizzando le nuvole di punti e il relativo software di elaborazione delle immagini, i sistemi LiDAR possono creare immagini tridimensionali (3D) dell'ambiente circostante a velocità di 30 fps o più.

VCSEL per la cornice di un telefono cellulare

I progettisti di dispositivi portatili e palmari possono utilizzare il sensore ToF LiDAR TMF8801 di ams/OSRAM. Ha una portata di rilevamento di 2500 mm e viene fornito in un contenitore di 2,2 x 3,6 x 1,0 mm, progettato per adattarsi alla cornice di un telefono cellulare (Figura 4).

Figura 4: Il sensore ToF TMF8801 ha una portata di rilevamento di 2500 mm e si inserisce nella cornice di un telefono cellulare. (Immagine per gentile concessione di ams/OSRAM)

TMF8801 combina la tecnologia VCSEL con un sensore a diodo a valanga a singolo fotone (SPAD) in grado di rilevare segnali a singolo fotone con una risoluzione di poche decine di picosecondi. Il driver VCSEL integrato produce impulsi laser ad una lunghezza d'onda di 940 nm di durata inferiore a 500 ps, il che consente a TMF8801 di soddisfare la norma IEC 60825-1 Classe 1 per la sicurezza degli occhi. Un filtro di reiezione della luce solare minimizza il rumore di fondo e il microcontroller integrato (MCU) Cortex M0 include algoritmi di elaborazione delle immagini. L'interfaccia veloce I²C a 1,8 V connette TMF8801 al sistema.

Modulo VCSEL per schede Arduino

Il telemetro Gravity SEN0245 VL53L0X di DFRobot è un altro ottimo modo per esplorare l'uso del LiDAR basato su VCSEL (Figura 5). È destinato all'uso con una scheda di controllo Arduino UNO x1 e può misurare distanze fino a 2 m. L'emettitore VCSEL, con una lunghezza d'onda di 940 nm, e l'array SPAD integrato forniscono una precisione di misurazione di ±3% con un tempo di risposta inferiore a 30 ms e un consumo energetico di 20 mW. VL53L0X include l'interfaccia Gravity-I2C di DFRobot, progettata per l'uso con numerose MCU e con la flessibilità per supportare diverse applicazioni LiDAR.

Figura 5: Il telemetro laser ToF SEN0245 VL53L0X è progettato per l'uso con una scheda di controllo Arduino UNO x1 per misurare distanze fino a 2 m. (Immagine per gentile concessione di DFRobot)

Conclusione

Non si tratta più di sapere se la tecnologia LiDAR è applicabile o meno, dato che si sta già diffondendo ampiamente. Il LiDAR viene già integrato nei sistemi ADAS dei veicoli e negli ultimi modelli di iPhone Apple. In particolare, la tecnologia degli emettitori VCSEL a basso consumo combinata con array di sensori SPAD sta permettendo l'uso del LiDAR nei dispositivi consumer portatili.

Potete dare inizio ai vostri progetti LiDAR basati su VCSEL e, per accelerare lo sviluppo, esistono moduli già pronti per l'integrazione, con tutte le ottiche necessarie, le interfacce MCU e il software di base per l'elaborazione delle immagini.